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超磁致伸缩自感知执行器基础理论与实验研究

段慧  
【摘要】: 超磁致伸缩材料是一种具有可逆效应的新型功能材料,具有输出应变大、响应速度快等特点,应用磁致伸缩效应可作执行器,应用磁致伸缩逆效应可作传感器,超磁致伸缩材料的这种双重效应可使其作为自感知执行器的研究材料。将超磁致伸缩材料应用于自感知执行器,使其同时具有传感和执行的功能,可有效的减小器件的体积和重量,节省执行器系统的空间,便于实时控制并有利于提高系统的稳定性。 本文首先对超磁致伸缩材料及其应用现状作了介绍,对自感知执行器的概念做了简要概述,并分析了将超磁致伸缩材料应用于自感知执行器的研究意义。 随后,研究了超磁致伸缩执行器的结构和工作原理并分别进行动态和静态实验。通过实验结果分析验证执行器的基本特性,为如何选择偏置电流和驱动电流的大小提供了参考,对不同驱动频率下执行器输出应变的特性做了比较,为电桥电路实验研究条件选取提供了一定的理论与实验数据。 通过双向换能理论分析自感知执行器工作原理,对自感知执行器的两种实现方法进行分析并搭建Matlab仿真模型,运用Jiles-Atherton(J-A)非线性理论编写成M文件的S函数应用到电桥电路仿真中,消除了位移和速度之间直接微分积分等变化造成的相位误差,使仿真模型与实验模型更加接近。在仿真中对电桥电路输出的微小信号进行放大滤波,消弱了杂波和非线性的影响,为实际放大器和滤波器的设计提供了依据。 通过实验检测基于电桥电路自感知执行器电压及应变波形,利用Matlab中的曲线拟合工具箱进行数据处理,获得所测波形方程从而计算电桥电路相关参数,并设计放大及滤波电路,最后,对实验中存在问题及实验结果进行分析与总结。 基于状态观测器自感知执行器的研究中,采用探测线圈测磁感应强度的方法,该方法基于法拉第电磁感应定理并适用于交变磁场。在Matlab中对观测器模型进行观测运算,对应变仪测量结果进行数据拟合,通过实验结果与观测计算结果对比来验证感知信号。


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